非晶合金以及复合材料的离子辐照效应

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非晶合金具有高强度和耐腐蚀的特点,同时由于它具有无序的结构,因而被期望具有较好的抗辐照能力,使其在航天器和核工业方面具有广泛的应用前景。非晶合金结构呈各向同性,没有线、面晶体缺陷,也是研究辐照效应的理想模型材料。本论文利用模拟空天环境和核反应堆的辐照实验方法,选取了不同体系的非晶合金、非晶合金薄带和非晶合金复合材料作为研究对象,研究了低能和高能离子辐照对材料结构、表面特征和力学行为的影响。用100 keV的He+离子辐照不同体系、不同方法制备的块体非晶合金、非晶合金薄带和非晶合金复合材料。实验研究的辐照剂量范围在2×10177 ions/cm21.0×1018ions/cm2之间,通过改变真空甩带机的轮速(15,25,35,45m/s)制备了Fe78Si8B14和Fe78P8B14非晶合金薄带。当辐照剂量达到5×1017ions/cm2时,在两种薄带的表面观察到相似的辐照响应,脱落、开裂和多层损伤出现。轮速在35 m/s所制备的Fe78Si8B14和Fe78P8B14薄带拥有最大的未剥落面积,相比同组分完全非晶的两种薄带表现出更优的辐照抵抗能力。它们的晶化程度分别为6.5%和4.2%。归咎于析出的Fe2P和Fe3Si晶化相,使材料拥有大量的晶界和相界。这些界面会作为一种吸收源消除辐照引起的缺陷。研究结果表明一定尺寸和数量的晶体相存在于非晶基体内在辐照抵抗方面起着重要的作用。拥有一定比例B2相的CuZr基非晶合金复合材料拥有显著的塑性变形能力并在变形过程中表现出显著的加工硬化性能。我们选用了拥有体积分数为28±3vol%的B2相的Cu48Zr48Al4非晶合金复合材料,在He+离子辐照后发现抛光的材料表面区域观察到了表面浮凸现象。根据XRD结果显示,材料发生了马氏体相转变:B2-CuZr(简单立方相,Pm-3m)→B19’-CuZr和B33-CuZr(单斜相,P21/m和Cm),利用纳米压痕仪发现材料的晶体区域和非晶区域分别表现出硬化和软化效应,这是因为辐照导致晶体区域形成了硬化相,非晶区域中自由体积浓度的增加或者引入多余的高浓度原子尺度缺陷所造成的。通过维氏硬度计对材料的宏观硬度进行测量后发现,材料的整体硬度基本保持不变,这是因为硬化和软化之间的耦合效应所造成的。Vit1(Zr41.2Ti13.8Ni10Cu12.5Be22.5)非晶合金和Cu48Zr48Al4非晶合金复合材料,在经过20 MeV的Cl4+离子5×1015,1×1016ions/cm2的剂量辐照后,Vit1始终保持非晶态,然而拥有一定晶化程度的Cu48Zr48Al4表现出非晶化。除此之外在纳米压入过程中Vit1的硬度在辐照前后没有发生变化同时锯齿变化幅度不明显。Cu48Zr48Al4呈现出不同程度的软化,复合材料的锯齿流变现象在辐照前后发生了改变。辐照后Cu48Zr48Al4相比较辐照前的样品,锯齿流变的特征变得更加无规律。因为辐照损伤在非晶基体内部引入自由体积造成材料塑性提高导致剪切带锯齿提前出现。同时辐照产生高浓度的原子尺度缺陷,改变了材料的微观结构,缺陷的浓度和分布发生变化,最终影响到非晶合金的变形特点。
摘要第4-6页
abstract第6-7页
第一章 绪论第10-30页
    1.1 非晶合金及其发展史第10-14页
    1.2 非晶合金的性能及应用第14-16页
    1.3 非晶合金的力学特性第16-21页
        1.3.1 非晶合金的宏观力学行为第16-19页
        1.3.2 非晶合金的塑性变形模型第19-21页
        1.3.3 非晶合金复合材料的结构和性能第21页
    1.4 材料的辐照效应第21-25页
    1.5 非晶合金的辐照效应和研究现状第25-28页
    1.6 本文研究的主要内容第28-30页
第二章 实验原理和方法第30-39页
    2.1 本论文工作所使用的主要设备第30页
    2.2 实验原理和方法第30-39页
        2.2.1 非晶合金样品的制备第30-32页
        2.2.2 样品的结构测试第32页
        2.2.3 He~+离子辐照实验第32-33页
        2.2.4 重离子辐照实验第33-34页
        2.2.5 深度敏感压痕实验第34-37页
        2.2.6 原子力显微镜的原理和方法第37-39页
第三章 低能He~+离子辐照非晶合金损伤行为研究第39-50页
    3.1 引言第39-40页
    3.2 实验过程第40-41页
    3.3 离子辐照的SRIM模拟计算第41-42页
    3.4 实验结果和分析第42-49页
        3.4.1 块体非晶合金的He~+离子辐照损伤第42-49页
    3.5 本章小结第49-50页
第四章 He~+离子辐照CuZr基非晶合金复合材料的力学行为研究第50-67页
    4.1 引言第50-51页
    4.2 实验过程第51页
    4.3 实验结果和分析第51-65页
        4.3.1 SRIM程序模拟计算第51-52页
        4.3.2 离子辐照损伤第52-56页
        4.3.3 辐照结构稳定性第56-57页
        4.3.4 辐照后微观结构形貌特征第57-65页
    4.4 本章小结第65-67页
第五章 重离子辐照非晶合金及复合材料的力学行为研究第67-71页
    5.1 引言第67页
    5.2 实验过程第67-68页
    5.3 辐照结构稳定性第68-69页
    5.4 材料变形行为测试第69-70页
    5.5 本章小结第70-71页
第六章 结论第71-73页
参考文献第73-85页
攻读硕士期间取得的研究成果第85-86页
致谢第86-88页
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